基于 23Na-MRI 的蒸发表面下溶质再分配的非侵入成像

蒸发发生在多孔介质中是陆地环境中的关键现象，与溶质在蒸发表面附近或表面的积聚有关。当前研究旨在改进对蒸发表面附近溶质积聚的理解。分析和数值建模研究表明，在高渗透率的饱和多孔介质中，蒸发过程中由于密度差异可发展出局部不稳定性。这些不稳定性导致通过指状纹的向下流动，从而导致溶质的再分配。为进行实验研究，我们对两种不同渗透率的多孔介质（F36 和 W3）进行蒸发实验。利用磁共振成像（23Na-MRI），我们在样品底部持续供水的条件下，监测溶质积聚及其随后再分配的演化过程。两种多孔介质的 Na 富集图样有显著差异。F36 样品在前一小时内表面富集，但随后发展出向下的浪头，将 NaCl 重新输送回柱内。Na 浓度的平均深度轮廓显示，表面浓度仅达到 2.5 M，远低于溶解度极限。相比之下，渗透率较低的 W3 样品显示出浅表近表面区域的富集，浓度超过 6 M。将实验结果与使用 DuMux 的数值模拟进行比较，测量值与模型值呈现定性一致。该研究实证确认了在饱和多孔介质中密度驱动的溶质再分配的重要性，这对预测蒸发速率和盐垢形成时间具有意义。